JP4568372B2 - Partial coherence interferometer eliminating measurement ambiguity - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は部分コヒーレンス干渉測定の分野に関し、零状態をまたぐ干渉測定に関連した不明瞭性の解消に関する。 The present invention relates to the field of partial coherence interferometry, and to the resolution of ambiguities associated with interferometric measurements across zero states.
部分コヒーレンス干渉計は、波長の関数としての干渉をモニターすることによって、距離を測定する。測定ビームは波長範囲にわたるスペクトル帯域幅を有し、一時的に試験ビームと基準ビームとに分離される。試験ビームは試験アームに沿って伝播し、途中で試験面に遭遇して、検出器に至る。基準ビームは基準アームに沿って伝播し、途中で基準面に遭遇して、同一の検出器に至る。試験面の異なった地点における高さの変動が、試験アームの光路長に、対応した変化をもたらす。 Partial coherence interferometers measure distance by monitoring interference as a function of wavelength. The measurement beam has a spectral bandwidth over the wavelength range and is temporarily separated into a test beam and a reference beam. The test beam propagates along the test arm, encounters the test surface along the way, and reaches the detector. The reference beam propagates along the reference arm, encounters the reference plane along the way, and reaches the same detector. Height variations at different points on the test surface result in corresponding changes in the optical path length of the test arm.
検出器は試験ビームと基準ビームを結合したビームを、共通のスペクトル成分に分解し、各サンプル波長について、干渉に関連した強度の変動を検出する。波長の関数としての干渉は、試験ビームと基準ビームとの光路長差に関係する。試験アームと基準アームの光路長が等しいとき、いわゆる「零状態(null condition)」が起こる。試験アームが基準アームより長いか、あるいは基準アームが試験アームより長いかとは無関係に、最大干渉と最小干渉の周期は、零状態の両側で増大する。 The detector decomposes the combined beam of the test beam and the reference beam into common spectral components and detects the intensity variation associated with interference for each sample wavelength. Interference as a function of wavelength is related to the optical path length difference between the test beam and the reference beam. When the optical path lengths of the test arm and the reference arm are equal, a so-called “null condition” occurs. Regardless of whether the test arm is longer than the reference arm or whether the reference arm is longer than the test arm, the period of maximum and minimum interference increases on both sides of the zero state.
このため、部分コヒーレンス干渉計は、一般的に零状態を避けるように構成されている。しかし、零状態の近傍で用いる場合には、部分コヒーレンス干渉計はまた、試験アームの光路長が基準アームの光路長よりも長い場合と短い場合とを区別するように構成しなければならない。距離センサ、とくに三角測量式距離センサは、明瞭な測定値を限定的な範囲に特定するために用いられてきた。しかし、こうした距離センサは一般的に、より広い範囲での高解像度の測定には適しておらず、また、工具痕跡や他の人為的な荒さのある面を含む不規則な面、すなわち、測定ビームの波長の少なくとも8分の1の山谷粗さを有する面により、乱され易い。 For this reason, partial coherence interferometers are generally configured to avoid a zero state. However, when used near the zero state, the partial coherence interferometer must also be configured to distinguish between cases where the optical path length of the test arm is longer than the optical path length of the reference arm. Distance sensors, especially triangulation distance sensors, have been used to identify clear measurements within a limited range. However, such distance sensors are generally not suitable for higher resolution measurements over a wider area, and are irregular surfaces, i.e. measuring surfaces such as tool traces and other artificially rough surfaces. It is more likely to be disturbed by a surface having a roughness that is at least one-eighth the wavelength of the beam.
本発明は部分コヒーレンス干渉計に関するもので、測定範囲が例えば約1ミリメートルの、試験対象物の表面形状を測定するための干渉計を想定している。さらに長い測定範囲、例えば測定範囲3−5ミリメートルで動作可能な焦点センサは、測定値を干渉計の零状態と照合させており、明瞭範囲内の測定を、零状態に近づくか零状態の反対側に広がる他の測定から区別する。低いビームシャドーイングで大きな作動距離にわたって、試験対象面の測定が可能である。この試験対象面は、正反射を含む拡散反射を介して、さまざまな反射力、たとえば100%から1%未満の反射力を持っている。 The present invention relates to a partial coherence interferometer, and assumes an interferometer for measuring the surface shape of a test object having a measurement range of, for example, about 1 millimeter. Focus sensors that can operate in longer measurement ranges, for example 3-5 millimeters, have their measurements matched to the zero state of the interferometer, so that measurements in the clear range are close to or opposite the zero state. Distinguish from other measurements that spread to the side. It is possible to measure the test surface over a large working distance with low beam shadowing. This surface to be tested has various reflectivity, for example, 100% to less than 1% reflectivity through diffuse reflection including regular reflection.
ここで提案する距離センサシステムは、焦点センサを含み、部分コヒーレンス干渉計の試験アームの一部を共用して、光を、共用の対物レンズ経由で、試験対象面に向かわせ、試験対象物から戻るように方向付けている。好ましくは、対物レンズは、0.1程度の低い開口数を有し、大きな作動距離に対応可能となっている。この焦点センサ系は測定ビームの一部を共用可能であり、あるいは、とくに異なった範囲の波長の範囲内で動作するために、独自のセンサビームを供給することも可能である。 The proposed distance sensor system includes a focus sensor, shares a part of the test arm of the partial coherence interferometer, directs the light to the test object surface via the shared objective lens, and from the test object. Oriented to go back. Preferably, the objective lens has a numerical aperture as low as 0.1 and can handle a large working distance. The focus sensor system can share part of the measurement beam, or it can supply its own sensor beam, especially for operation within a range of different wavelengths.
焦点センサビームの約半分をセンサレンズの焦点の位置で覆い隠すことによって、焦点センサビームが遭遇した試験面の軸方向位置の変化が、焦点検出器に戻る光分布の、検出可能な横方向の変位に変換される。干渉計の零状態はこれら光分布の横方向の変位によって較正可能であり、これにより所定の範囲の横方向の変位が零状態の片側からオフセットした測定範囲に対応するようになる。対物レンズを経た干渉計の焦点位置は、好ましくは、試験アームと基準アームとの光路長差が測定範囲の約60パーセント(例えば、0.60×1mm=0.6mm)と等しくなるように設定される。そのため、測定範囲のうち零状態にもっとも近い一端において、試験対象面は、零状態から依然として所定量(例えば、0.1mm)だけオフセットしている。零状態からの最小オフセットを超えた、焦点位置からの軸方向変位に対応する測定値は、測定用に採用される。一方、零状態により近い、または零状態の反対側の軸方向変位に対応する測定値は、異符号の測定値として排除または消される。これが必要となるのは、部分コヒーレンス測定が零状態近傍では正確性に欠けるためである。 By obscuring about half of the focus sensor beam at the focus position of the sensor lens, a change in the axial position of the test surface encountered by the focus sensor beam causes the detectable lateral distribution of the light distribution back to the focus detector. Converted to displacement. The zero state of the interferometer can be calibrated by the lateral displacement of these light distributions, so that a predetermined range of lateral displacement corresponds to a measurement range offset from one side of the zero state. The focal position of the interferometer that has passed through the objective lens is preferably set so that the optical path length difference between the test arm and the reference arm is equal to about 60 percent of the measurement range (eg, 0.60 × 1 mm = 0.6 mm). Is done. Therefore, at the end closest to the zero state in the measurement range, the test target surface is still offset from the zero state by a predetermined amount (for example, 0.1 mm). The measured value corresponding to the axial displacement from the focal position beyond the minimum offset from the zero state is adopted for measurement. On the other hand, measured values that are closer to the zero state or correspond to axial displacements on the opposite side of the zero state are excluded or eliminated as measured values with different signs. This is necessary because partial coherence measurements are not accurate near the zero state.
部分コヒーレンス干渉計としての発明の1つの態様は、所定のスペクトル帯域幅を有する測定ビームを採用している。試験アームが、上記測定ビームの試験ビーム部を、試験面に遭遇する経路に沿って送り、基準アームが、上記測定ビームの基準ビーム部を、基準面に遭遇する経路に沿って送る。上記試験アームは、上記試験ビームを上記試験面上に集束させ、上記試験ビームの上記試験面からの反射部分を集めるための、集束光学要素を含む。上記試験アームおよび上記基準アームに連結されたスペクトル感受性検出系が、測定ビーム帯域幅の範囲にわたり、波長の関数としての干渉を、上記試験アームと上記基準アームとの間の符号なしの光路長差の測定値としてモニターする。上記干渉計で較正した焦点検出系が、上記試験アームと上記基準アームとの間のゼロより大きい光路長差と、ゼロより小さい光路長差とを識別し、上記試験アームと上記基準アームとの上記符号のない光路長差の測定値に関連した不明瞭性を解決する。 One aspect of the invention as a partial coherence interferometer employs a measurement beam having a predetermined spectral bandwidth. A test arm sends a test beam portion of the measurement beam along a path that encounters the test plane, and a reference arm sends a reference beam portion of the measurement beam along a path that encounters the reference plane. The test arm includes a focusing optical element for focusing the test beam on the test surface and collecting a reflected portion of the test beam from the test surface. A spectrally sensitive detection system coupled to the test arm and the reference arm provides interference as a function of wavelength over a range of measurement beam bandwidths, and an unsigned optical path length difference between the test arm and the reference arm. Monitor as measured value. A focus detection system calibrated with the interferometer identifies optical path length differences between the test arm and the reference arm that are greater than zero and optical path length differences that are less than zero. Resolve the ambiguity associated with unsigned optical path length difference measurements.
この焦点検出系は、好ましくは、上記試験面から反射された光を上記集束光学要素を通って焦点検出器まで送る焦点検出アームを備えている。さらに、この焦点検出系は、好ましくは、上記試験アームと上記基準アームとの上記光路長差がゼロよりも大きくなる上記試験面の位置と、上記試験アームと上記基準アームとの上記光路長差がゼロよりも小さくなる上記試験面の位置とを識別する。また、この焦点検出系は、好ましくは、ゼロに近い光路長差と、いずれかの符号の光路長差であって、ゼロよりも有意に大きいか又は小さい光路長差との識別も行う。 The focus detection system preferably includes a focus detection arm that sends light reflected from the test surface through the focusing optical element to a focus detector. Further, the focus detection system preferably includes the position of the test surface where the optical path length difference between the test arm and the reference arm is greater than zero, and the optical path length difference between the test arm and the reference arm. And the position of the test surface where the value is smaller than zero. The focus detection system preferably also distinguishes between an optical path length difference close to zero and an optical path length difference of any sign that is significantly larger or smaller than zero.
プロセッサは好ましくは、(a)上記試験アームと上記基準アームとの符号のない光路長差に関連した上記スペクトル感受性検出系からの測定値と、(b)上記試験面が、上記試験アームと上記基準アームとの上記光路長差がゼロよりも大きくなる位置にあるのか、小さくなる位置にあるのかを示す、上記焦点検出系からの情報を受け取る。上記試験面から反射し、上記集束光学要素を通って、焦点検出器に至る光は、上記測定ビームの一部とすることができる。あるいは、上記干渉計は、上記測定ビームを生成するための第一光源と、焦点検知ビームを生成するための第二光源とをさらに備え、この焦点検知ビームは、上記焦点検出アームによって、上記集束光学要素を通って上記試験面へ、そして上記試験面から上記集束光学要素を通って上記焦点検出器へ送られる。好ましくは、上記焦点検知ビームまたは上記測定ビームのうち少なくとも1つの表示波長が可視波長域内にあり、試験面に可視スポットが呈示されるようになっている。 The processor preferably includes: (a) a measurement from the spectral sensitivity detection system associated with an unsigned optical path length difference between the test arm and the reference arm; and (b) the test surface is the test arm and the test arm. Information from the focus detection system indicating whether the optical path length difference from the reference arm is at a position where the optical path length difference is greater than zero or a position where the difference is smaller is received. The light reflected from the test surface, through the focusing optical element, and to the focus detector can be part of the measurement beam. Alternatively, the interferometer further comprises a first light source for generating the measurement beam and a second light source for generating a focus detection beam, the focus detection beam being focused by the focus detection arm. The optical element is sent to the test surface and from the test surface through the focusing optical element to the focus detector. Preferably, at least one display wavelength of the focus detection beam or the measurement beam is in a visible wavelength range, and a visible spot is presented on the test surface.
焦点検出系を上記干渉計で較正することが出来、この較正は、上記集束光学要素を通過する光の焦点を、上記試験アームの上記光路長と上記基準アームの上記光路長が等しくなる零状態から、所定のオフセットをもって位置づけることによって行われる。好ましくは、上記所定のオフセットが上記干渉計の所定の測定範囲の少なくとも半分である。 The focus detection system can be calibrated with the interferometer, and this calibration is performed by focusing the light passing through the focusing optical element in a zero state where the optical path length of the test arm and the optical path length of the reference arm are equal. To position with a predetermined offset. Preferably, the predetermined offset is at least half of a predetermined measurement range of the interferometer.
本発明の別の態様は、試験ビームと基準ビームとの間の符号なしの光路長差に基づく部分コヒーレンス干渉測定の測定不明瞭性を解決するための方法である。所定のスペクトル帯域幅を有する測定ビームを、試験アームに沿って伝播する試験ビームと、基準アームに沿って伝播する基準ビームとに分離する。上記試験ビームを、上記試験アームに沿い集束光学要素を通って試験面に至り、上記集束光学要素を通って上記試験面から戻るように方向づける。上記試験ビームと上記基準ビームとを再結合させ、上記再結合ビームの波長の範囲にわたる干渉を、上記試験アームと上記基準アームの符号なしの光路長差の測定値としてモニターする。上記試験面から反射された光を、上記集束光学要素を通って、焦点誤差を測定するための焦点検出器へ送る。上記測定された焦点誤差が、上記試験アームの上記光路長と上記基準アームの上記光路長において、一方が他方よりも有意に短いことまたは、有意に長いことを識別する。 Another aspect of the invention is a method for resolving measurement ambiguity of partial coherence interferometry based on an unsigned optical path length difference between a test beam and a reference beam. A measurement beam having a predetermined spectral bandwidth is separated into a test beam propagating along the test arm and a reference beam propagating along the reference arm. The test beam is directed along the test arm through the focusing optical element to the test surface and through the focusing optical element back from the test surface. The test beam and the reference beam are recombined and the interference over the range of wavelengths of the recombined beam is monitored as a measurement of the unsigned optical path length difference between the test arm and the reference arm. Light reflected from the test surface is sent through the focusing optical element to a focus detector for measuring focus error. The measured focus error identifies that one of the optical path length of the test arm and the optical path length of the reference arm is significantly shorter or significantly longer than the other.
集束光学要素の焦点は、好ましくは、上記試験アームと上記基準アームの上記光路長とが等しい零状態からオフセットされた位置に位置づけられる。上記試験アームと上記基準アームとの上記光路長差がゼロより有意に大きくなる上記試験面の位置と、上記試験アームと上記基準アームとの上記光路長差がゼロより有意に小さくなる上記試験面の位置とを識別する。その際、好ましくは、ゼロに近い光路長差と、ゼロより有意に大きいか有意に小さい、いずれかの符号の上記光路長差とを識別する。 The focus of the focusing optical element is preferably located at a position offset from a zero state where the optical path lengths of the test arm and the reference arm are equal. The position of the test surface where the optical path length difference between the test arm and the reference arm is significantly larger than zero, and the test surface where the optical path length difference between the test arm and the reference arm is significantly smaller than zero. Identify the location of At that time, preferably, the optical path length difference close to zero and the optical path length difference of any sign that is significantly larger or significantly smaller than zero are identified.
焦点誤差範囲は、好ましくは、上記試験アームと上記基準アームとの光路長差範囲に相関し、この光路長差範囲では、上記試験アームの上記光路長が上記基準アームの上記光路長よりも有意に長いか又は有意に短いかのいずれか一方である。上記試験アームと上記基準アームの光路長差のモニターされた干渉測定値を、上記同定された焦点誤差範囲との関連に基づいて選択する。 The focus error range preferably correlates with the optical path length difference range between the test arm and the reference arm, where the optical path length of the test arm is more significant than the optical path length of the reference arm. Either long or significantly shorter. A monitored interference measurement of the optical path length difference between the test arm and the reference arm is selected based on an association with the identified focus error range.
図1に示すように、部分コヒーレンス干渉計10は測定ビーム14を生成するための光源12を含む。この測定ビームは所定のスペクトル帯域幅、好ましくは可視スペクトル内または赤外スペクトル内の帯域幅を有している。光源12は超放射発光ダイオードのような広帯域光源であり、表示波長が約800ナノメートルであれば、出力が約10ミリワット、スペクトル帯域幅が約40ナノメートル、通常、10ナノメートルから150ナノメートルの範囲内にあるものが好ましい。このような光源12は、時間的コヒーレンスの低い光源と呼ぶことも出来る。平行化レンズ16は、広がった測定ビーム14を平行化し干渉計10を通って伝播できるようにする。 As shown in FIG. 1, the partial coherence interferometer 10 includes a light source 12 for generating a measurement beam 14. This measuring beam has a predetermined spectral bandwidth, preferably in the visible spectrum or in the infrared spectrum. The light source 12 is a broadband light source such as a super-radiant light emitting diode. If the display wavelength is about 800 nanometers, the output is about 10 milliwatts and the spectral bandwidth is about 40 nanometers, usually 10 nanometers to 150 nanometers. Those within the range are preferred. Such a light source 12 can also be called a light source with low temporal coherence. The collimating lens 16 collimates the spread measurement beam 14 so that it can propagate through the interferometer 10.
50/50ビームスプリッタ22は、測定ビーム14を試験ビーム26と基準ビーム28に分離する。試験ビーム26は50/50ビームスプリッタ22を透過し、干渉計10の試験アーム32に沿って伝播する。基準ビーム28は50/50ビームスプリッタ22で反射して、干渉計10の基準アーム34に沿って伝播する。 A 50/50 beam splitter 22 splits the measurement beam 14 into a test beam 26 and a reference beam 28. Test beam 26 passes through 50/50 beam splitter 22 and propagates along test arm 32 of interferometer 10. The reference beam 28 is reflected by the 50/50 beam splitter 22 and propagates along the reference arm 34 of the interferometer 10.
試験ビーム26は第一の波長感受性(wavelength-sensitive)のダイクロイックビームスプリッタ24を通り、第二の波長感受性ダイクロイックビームスプリッタ36で反射し、対物レンズ38を通る。この対物レンズ38は、試験ビーム26を、試験対象面40上、または少なくともその近傍にある焦点42に向かって収束させる。同対物レンズ38は、試験対象面40からの正反射、拡散反射または正反射と拡散反射の何らかの組み合わせによって反射された光を集め、戻り経路上にある試験ビーム26を、2つのダイクロイックビームスプリッタ36、24を経て50/50ビームスプリッタ22に戻すように方向付ける。好ましくは、対物レンズ38は約0.1の開口数を有し、その結果、作動距離は例えば約70ミリメートルであり、推奨測定範囲は約1.0ミリメートルである。 The test beam 26 passes through a first wavelength-sensitive dichroic beam splitter 24, is reflected by a second wavelength-sensitive dichroic beam splitter 36, and passes through an objective lens 38. The objective lens 38 converges the test beam 26 toward a focal point 42 on or at least in the vicinity of the test object surface 40. The objective lens 38 collects light reflected by specular reflection, diffuse reflection, or some combination of specular reflection and diffuse reflection from the test object surface 40, and converts the test beam 26 on the return path into two dichroic beam splitters 36. , 24 and return to the 50/50 beam splitter 22. Preferably, the objective lens 38 has a numerical aperture of about 0.1 so that the working distance is about 70 millimeters, for example, and the recommended measurement range is about 1.0 millimeter.
戻りの試験ビーム26と基準ビーム28の一部は、50/50ビームスプリッタ22で再結合され、集束光学要素52を通って一緒に伝播し、スペクトル感受性(spectrally sensitive)の検出系54に向かう。すなわち、50/50ビームスプリッタ22は戻りの試験ビーム26の一部を反射し、戻りの基準ビーム28の一部を通過させ、集束光学要素52を通して共通の方向に向かわせる。スペクトル感受性検出系54は、好ましくは、回析格子56とリニアCCD(電荷結合素子)センサアレイ58とを組み合わせた分光計である。回折格子56は、測定ビーム(すなわち、試験ビーム26と基準ビーム28を再結合したもの)を異なった波長で角度分離するものである。リニアCCDセンサアレイ58は、空間的に分離された波長のそれぞれの干渉強度を測定するものである。 A portion of the return test beam 26 and the reference beam 28 are recombined at the 50/50 beam splitter 22 and propagate together through the focusing optical element 52 toward the spectrally sensitive detection system 54. That is, the 50/50 beam splitter 22 reflects a portion of the return test beam 26, passes a portion of the return reference beam 28, and directs it through the focusing optical element 52 in a common direction. The spectral sensitivity detection system 54 is preferably a spectrometer combining a diffraction grating 56 and a linear CCD (charge coupled device) sensor array 58. The diffraction grating 56 angularly separates the measurement beam (ie, the recombination of the test beam 26 and the reference beam 28) at different wavelengths. The linear CCD sensor array 58 measures the interference intensity of each spatially separated wavelength.
零状態をまたぐ、または零状態に近い光路長差に関連した測定の不明瞭性を避けるために、フォーカシング系60が、第一ダイクロイックビームスプリッタ24を介して干渉計10に連結されている。別の光源62、好ましくは可視スペクトル内(例えば、波長650ナノメートル)で動作するレーザーダイオードのような光源が、焦点検知ビーム64を生成する。この焦点検知ビーム64は平行化レンズ66によって広がった形で平行化され、平行ビームとしてフォーカシング系60の残りの部分と干渉計10を通って伝播する。ビームスプリッタ68は、平行化された焦点検知ビーム64を反射して、ダイクロイックビームスプリッタ24への経路に沿わせる。このビームスプリッタ68は一部反射性または偏光感受性(polarization-sensitive)のビームスプリッタとして構成可能である。ダイクロイックビームスプリッタ24の波長感受性により、焦点検知ビーム64は試験ビーム26と共通の経路に沿って反射され、対物レンズ38を通って試験対象面40に至り、試験対象面で反射される。 A focusing system 60 is coupled to the interferometer 10 via a first dichroic beam splitter 24 to avoid measurement ambiguities associated with optical path length differences across or near the zero state. Another light source 62, preferably a light source such as a laser diode operating in the visible spectrum (eg, wavelength 650 nanometers) generates the focus detection beam 64. This focus detection beam 64 is collimated in a spread form by a collimating lens 66 and propagates through the interferometer 10 with the rest of the focusing system 60 as a collimated beam. The beam splitter 68 reflects the collimated focus detection beam 64 and follows the path to the dichroic beam splitter 24. The beam splitter 68 can be configured as a partially reflective or polarization-sensitive beam splitter. Due to the wavelength sensitivity of the dichroic beam splitter 24, the focus detection beam 64 is reflected along a common path with the test beam 26, passes through the objective lens 38, reaches the test target surface 40, and is reflected by the test target surface.
試験対象面40で反射された焦点検知ビーム64の一部は、ダイクロイックビームスプリッタ24を介してビームスプリッタ68に戻り、さらに焦点検出用光学要素72を通って、焦点検出器74まで伝播する。偏光ビームスプリッタとして構成されたビームスプリッタ68と共に4分の1波長板76を用いて、焦点検知ビーム64の偏光を回転させ、戻りの焦点検知ビーム64をより効率良く焦点検出器74に向かわせることができる。あるいは、ビームスプリッタ68として、光効率は劣るが、より廉価な50/50ビームスプリッタを用いてもよく、その場合、4分の1波長板は不要である。 A part of the focus detection beam 64 reflected by the test target surface 40 returns to the beam splitter 68 via the dichroic beam splitter 24, and further propagates through the focus detection optical element 72 to the focus detector 74. Using a quarter wave plate 76 with a beam splitter 68 configured as a polarizing beam splitter, the polarization of the focus detection beam 64 is rotated and the returned focus detection beam 64 is directed more efficiently to the focus detector 74. Can do. Alternatively, a less expensive 50/50 beam splitter may be used as the beam splitter 68, although the light efficiency is inferior, in which case a quarter wave plate is not required.
焦点検知ビーム64の横断面の実質的に半分を遮断する上述のオフセットストップ65を設置する前は、焦点検出用光学要素72は、好ましくは、焦点検出器74上に対物レンズ38の焦点42の共役像78を結ぶ。対物レンズ38の光軸80上における試験対象面40の軸方向位置の変化に伴って、焦点検出器74の像平面内の2つの光検出器間での光の分配が変化する。 Prior to installing the above-described offset stop 65 that blocks substantially half of the cross-section of the focus sensing beam 64, the focus detection optical element 72 preferably has the focus 42 of the objective lens 38 on the focus detector 74. Tie conjugate image 78. As the axial position of the test object surface 40 on the optical axis 80 of the objective lens 38 changes, the distribution of light between the two photodetectors in the image plane of the focus detector 74 changes.
図2Aおよび図2Bは、光軸に沿う試験対象面40の位置がとりうる範囲にわたって、焦点誤差の範囲を、下記に示す光検出器の出力の差と和の関係としてプロットしたものである。
焦点誤差=(A−B)/(A+B)
ここで、”A“と”B“は、それぞれ、焦点検出器74の像平面における2つの光検出器の出力である。
2A and 2B are plots of the focus error range as the relationship between the difference in the output of the photodetector shown below and the sum over the range that can be taken by the position of the test target surface 40 along the optical axis.
Focus error = (A−B) / (A + B)
Here, “A” and “B” are the outputs of the two photodetectors in the image plane of the focus detector 74, respectively.
図2Aおよび図2Bのいずれにおいても、試験ビームおよび焦点検知ビームの焦点42は、意図された測定域82の中間に位置し、干渉計10の零状態84は、意図された測定域82の一端をわずかに超えた位置にある。たとえば、基準アーム34の光路長は、試験アーム32の光路長よりも、意図された測定域82の長さの約60%だけ、長くまたは短くなるように構成することができる。意図された測定域82が焦点42を中心にしているため、零状態84は、意図された測定域82の長さの約10パーセントに等しいオフセットの分だけ、意図された測定域82の外側に位置する。したがって、測定範囲が1.0ミリメートルにわたる場合、焦点42は零状態84から0.6ミリメートル変位し、零状態84は上記測定域82から0.1ミリメートルだけ外れていることになる。 In both FIG. 2A and FIG. 2B, the focal point 42 of the test beam and the focus detection beam is located in the middle of the intended measurement area 82, and the zero state 84 of the interferometer 10 is one end of the intended measurement area 82. It is in a position slightly beyond. For example, the optical path length of the reference arm 34 can be configured to be longer or shorter than the optical path length of the test arm 32 by about 60% of the length of the intended measurement area 82. Since the intended measurement area 82 is centered on the focal point 42, the null state 84 is outside the intended measurement area 82 by an offset equal to about 10 percent of the length of the intended measurement area 82. To position. Thus, if the measurement range extends over 1.0 millimeter, the focal point 42 is displaced from the zero state 84 by 0.6 millimeters, and the zero state 84 is off the measurement area 82 by 0.1 millimeter.
図2Aにおいて、上記測定域の一端は、AとBが等しくなる交点86に位置しており、これは検出器74の位置のオフセットによって達成される。それによって、意図された測定域82に関連した焦点誤差が、ゼロから所定の負の値の間の値をとるようになっている。零状態84および焦点誤差が正になる範囲内の試験対象面40の他の位置は、意図された測定域82から除外される。図2Bにおいては、焦点42は、AとBが等しくなる焦点誤差の交点86に位置する。測定域82の境界は、焦点誤差信号の絶対値によって定められる。 In FIG. 2A, one end of the measurement area is located at the intersection 86 where A and B are equal, which is achieved by an offset in the position of the detector 74. Thereby, the focus error associated with the intended measurement area 82 takes a value between zero and a predetermined negative value. Other positions of the test surface 40 within the range where the zero state 84 and focus error are positive are excluded from the intended measurement area 82. In FIG. 2B, the focal point 42 is located at a focus error intersection 86 where A and B are equal. The boundary of the measurement area 82 is determined by the absolute value of the focus error signal.
非点収差法による焦点センサ(astigmatic focus sensor)もこれらの目的に適しているが、それについては、ノイエス出版社刊、「磁気光学データ記録ハンドブック(1997)」(”Handbook of Magneto-Optical Data Recording”, Noyes Publications)P.100-102で議論されている。この非点収差法による焦点検出器には、出力信号A,B,C,Dを伴う4分割検出器が用いられている。この検出器からの標準化した焦点誤差信号は以下のように表される:
焦点誤差={(A+C)−(B+D)}/(A+B+C+D)
ここで、”A”、“B”、“C”、“D”は、焦点検出器の像平面の4つの分割面それぞれからの光検出器信号である。図2Aおよび2Bに示す焦点誤差曲線と同様の焦点誤差曲線を得ることができる。
An astigmatic focus sensor is also suitable for these purposes, but it is described in the book “Magnet-Optical Data Recording Handbook (1997)” published by Neues Publishing Company, “Handbook of Magneto-Optical Data Recording”. ”, Noyes Publications), P.100-102. A quadrant detector with output signals A, B, C, and D is used for a focus detector based on this astigmatism method. The standardized focus error signal from this detector is expressed as:
Focus error = {(A + C)-(B + D)} / (A + B + C + D)
Here, “A”, “B”, “C”, and “D” are photodetector signals from each of the four divided surfaces of the image plane of the focus detector. A focus error curve similar to the focus error curve shown in FIGS. 2A and 2B can be obtained.
プロセッサ88は、スペクトル感受性検出系54と焦点検出器74の両方から情報を受け取る。スペクトル感受性検出系54から、プロセッサは、再結合された試験ビーム26と基準ビーム28の強度の変動に関連した情報を、波長範囲にわたって受け取り、試験対象面40での焦点42の軸方向位置と関連した試験アーム32と基準アーム34との光路長差の計算に供する。 The processor 88 receives information from both the spectral sensitivity detection system 54 and the focus detector 74. From the spectral sensitivity detection system 54, the processor receives information related to variations in the intensity of the recombined test beam 26 and reference beam 28 over the wavelength range and relates to the axial position of the focal point 42 at the test surface 40. This is used for calculating the optical path length difference between the test arm 32 and the reference arm 34.
上記焦点検出器から、プロセッサ88は焦点誤差に関する情報を受け取る。この焦点誤差は、焦点42に対して試験対象面40が軸方向に変位した位置に対応するものである。焦点誤差の範囲は、意図された測定域82に関連している。たとえば、焦点誤差の極性または大きさ、あるいは極性と大きさの両方の組み合わせを用いて、意図された測定域82を識別することができる。意図された測定域82内の焦点誤差に関連した光路長の測定値は保持され(つまり、有効なデータとして選択され)、意図された測定域82外の焦点誤差に関連した光路長の測定値は、好ましくは、捨てられる。これにより、光路長差の明瞭な測定値のみが保持される。 From the focus detector, processor 88 receives information regarding the focus error. This focus error corresponds to the position where the test object surface 40 is displaced in the axial direction with respect to the focus 42. The range of focus error is related to the intended measurement area 82. For example, the polarity or magnitude of the focus error, or a combination of both polarity and magnitude, can be used to identify the intended measurement area 82. The optical path length measurement associated with the focus error within the intended measurement area 82 is retained (ie, selected as valid data) and the optical path length measurement associated with the focus error outside the intended measurement area 82. Is preferably discarded. Thereby, only a clear measured value of the optical path length difference is retained.
図示しないが、試験対象面40は、好ましくは座標測定ステージに支持される。このステージは、試験対象面40を焦点42に対して相対的に移動または回転させ、基準位置の範囲に対する試験対象面40の他の地点が測定できるようになっている。たとえば、座標測定ステージは2つの座標軸(たとえばXとYの座標軸)上の位置変化に関する空間情報を提供することができ、干渉計10は、光軸80と一直線をなす第3の座標軸(たとえばZ座標軸)上の位置変化に関する情報を提供することができる。一般的に、干渉計は試験対象面40の高さの変動に関する情報を収集する。好ましくは、1秒間に数100から約1000回の割合で個々の測定を行い、試験対象面40の全部または所定の部分を測定点の列として定める。 Although not shown, the test object surface 40 is preferably supported by a coordinate measurement stage. This stage moves or rotates the test target surface 40 relative to the focal point 42 so that other points of the test target surface 40 with respect to the reference position range can be measured. For example, the coordinate measurement stage can provide spatial information regarding position changes on two coordinate axes (eg, the X and Y coordinate axes), and the interferometer 10 can be coupled to a third coordinate axis (eg, Z axis) that is aligned with the optical axis 80. Information on position changes on the coordinate axes) can be provided. In general, the interferometer collects information regarding variations in the height of the test surface 40. Preferably, individual measurements are performed at a rate of several hundreds to about 1000 times per second, and all or a predetermined portion of the test target surface 40 is defined as a sequence of measurement points.
ビデオ撮像系90は上記ダイクロイックビームスプリッタ36を介して連結され、試験対象面40のセットアップ中および測定中に試験対象面40を撮像する。光学ズームレンズ92は試験対象面40のサイズ調節可能な像をビデオCCD検出器94(detector array)に中継する。フォーカシング系60は、好ましくは可視スペクトル内で動作し、このフォーカシング系を用いて、試験対象面40上に可視標的スポットを生成し、試験対象面40の目に見える特徴や境界に関して、試験対象面40上の測定可能な点を照合できるようにする。 The video imaging system 90 is connected via the dichroic beam splitter 36, and images the test target surface 40 during setup and measurement of the test target surface 40. The optical zoom lens 92 relays a size adjustable image of the test object surface 40 to a video CCD detector 94 (detector array). The focusing system 60 preferably operates in the visible spectrum and uses this focusing system to generate a visible target spot on the test object surface 40, with respect to the visible features and boundaries of the test object surface 40. Allow measurable points on 40 to be matched.
別の部分コヒーレンス干渉計100を図3に示す。図1に示す部分コヒーレンス干渉計10に対応する特徴部には同一の参照番号を付す。しかし、上記干渉計10とは対照的に、共通光源102が干渉計100とこれに関係するフォーカシング系110の両方に光学的パワーを供給する。この光源102は、好ましくは、可視スペクトル(たとえば、波長約680ナノメートル)内で動作するスーパールミネッセントダイオードである。可視スペクトル内で動作することによって、測定スポットが試験対象面40上の焦点42に現われるので、セットアップしたり、測定点を試験対象面40上の目に見える特徴または境界と照合することができる。 Another partial coherence interferometer 100 is shown in FIG. Features corresponding to the partial coherence interferometer 10 shown in FIG. However, in contrast to the interferometer 10, the common light source 102 provides optical power to both the interferometer 100 and the focusing system 110 associated therewith. This light source 102 is preferably a superluminescent diode operating in the visible spectrum (eg, wavelength of about 680 nanometers). By operating in the visible spectrum, the measurement spot appears at the focal point 42 on the test object surface 40 so that it can be set up and the measurement points matched to visible features or boundaries on the test object surface 40.
スーパールミネッセントダイオードは部分偏光されているため、フォーカシング系110は、偏光ビームスプリッタ104を介して干渉計100に連結することができる。4分の1波長板106が偏光ビームスプリッタ104に接続されて用いられており、戻りの測定ビーム14がフォーカシング系110のフォーカシングアーム112に沿って、焦点検知ビーム64として反射される。偏光ビームスプリッタ104は、効率を向上させるとともに、光源102へのフィードバックを減少させる。共通光源102を共用してはいるが、干渉計100とフォーカシング系110はともに、前の実施例における干渉計およびフォーカシング系と同様の動作をする。 Since the superluminescent diode is partially polarized, the focusing system 110 can be coupled to the interferometer 100 via the polarizing beam splitter 104. A quarter-wave plate 106 is used connected to the polarizing beam splitter 104, and the returned measurement beam 14 is reflected as a focus detection beam 64 along the focusing arm 112 of the focusing system 110. The polarizing beam splitter 104 increases efficiency and reduces feedback to the light source 102. Although the common light source 102 is shared, both the interferometer 100 and the focusing system 110 operate in the same manner as the interferometer and the focusing system in the previous embodiment.
また、偏光ビームスプリッタ104の代わりに、一部反射性、一部透過性のビームスプリッタを用いることができる。この別のビームスプリッタでは、好ましくは、最初の測定ビーム14のパワーをより多く保存するために透過を重視する。一方、焦点検出器74に集められる焦点検知ビーム64のパワーが一部犠牲にされる。 Further, instead of the polarizing beam splitter 104, a partially reflective or partially transmissive beam splitter can be used. In this alternative beam splitter, preferably transmission is emphasized in order to conserve more power of the initial measurement beam 14. On the other hand, the power of the focus detection beam 64 collected by the focus detector 74 is partially sacrificed.
図1と図3の実施例は、平行化された試験ビーム26および/または焦点検知ビーム64、14が、共用の対物レンズ38に入る様子を示している。共用の対物レンズ38を有限共役ビデオ結像系(つまり、無限遠補正されておらず、したがって、ダイクロイックビームスプリッタ36への発散ビームの入射を必要とする)の一部とするならば、光学設計分野の当業者は、偏光ビームスプリッタ24(図1)とダイクロイックビームスプリッタ36との間、50/50ビームスプリッタ22(図3)とダイクロイックビームスプリッタ36との間、またはその他の場所に、2つの光学系を結びつけるために、適切なレンズ要素を付加することができるであろう。 The embodiment of FIGS. 1 and 3 shows how the collimated test beam 26 and / or focus detection beams 64, 14 enter the shared objective lens 38. If the shared objective lens 38 is part of a finite conjugate video imaging system (i.e. it is not infinity corrected and therefore requires the incidence of a diverging beam on the dichroic beam splitter 36), then the optical design Those skilled in the art will recognize that two polarization beamsplitter 24 (FIG. 1) and dichroic beam splitter 36, 50/50 beam splitter 22 (FIG. 3) and dichroic beam splitter 36, or elsewhere Appropriate lens elements could be added to tie the optics.
測定ビームと焦点検知ビームの少なくとも一方が可視スペクトル内にあるため測定スポットが試験面に現れるが、その主たる機能を果たすためには、これらビームのいずれかまたは両方を、赤外領域のような不可視域内で用いてもよい。部分コヒーレンス干渉計10はフォーカシング系60とともに収容し、スタンドアローン型のセンサとしてもよく、これらの部品を別々に収容、またはモジュール化してもよい。図1および図3の部分コヒーレンス干渉計はマイケルソン干渉計として構成されているが、干渉計は他の既知の干渉計の形態をとってもよい。 The measurement spot appears on the test surface because at least one of the measurement beam and the focus detection beam is in the visible spectrum, but in order to perform its main function, either or both of these beams are not visible in the infrared region. It may be used within the region. The partial coherence interferometer 10 is accommodated together with the focusing system 60, may be a stand-alone sensor, and these components may be separately accommodated or modularized. Although the partial coherence interferometer of FIGS. 1 and 3 is configured as a Michelson interferometer, the interferometer may take the form of other known interferometers.
以上の実施例は、本発明がいかに実施され得るのかを示す例として紹介したに過ぎない。当業者には、本発明に従って、修正、置換その他の変更を行い、さまざまな異なる用途に対応可能であることが理解されるであろう。 The above embodiments are merely introduced as examples showing how the present invention can be implemented. Those skilled in the art will appreciate that modifications, substitutions, and other changes can be made in accordance with the present invention to accommodate a variety of different applications.
Claims (20)
上記測定ビームの試験ビーム部を、試験面に遭遇する経路に沿って送るための試験アームと、
上記測定ビームの基準ビーム部を、基準面に遭遇する経路に沿って送るための基準アームと、
上記試験アームおよび上記基準アームに連結されたスペクトル感受性検出系と、
上記干渉計で較正した焦点検出系とを備え、
上記試験アームは、上記試験ビームを上記試験面上に集束させ上記試験ビームの上記試験面からの反射部分を集めるための集束光学要素を含み、
上記スペクトル感受性検出系は、測定ビームスペクトル帯域幅の範囲にわたり、波長の関数としての干渉を、上記試験アームと上記基準アームとの間の符号なしの光路長差の測定値としてモニターし、
上記焦点検出系は、上記試験アームと上記基準アームとの間の有意にゼロより大きい光路長差と、上記試験アームと上記基準アームとの間の有意にゼロより小さい光路長差とを識別するためのもので、上記試験アームと上記基準アームとの上記符号のない光路長差の測定値に関連した不明瞭性を解決するためのものであり、
上記焦点検出系が、上記試験面から反射された光を上記集束光学要素を通って焦点検出器まで送る焦点検出アームを備え、
上記焦点検出系が上記干渉計で較正され、この較正は、上記集束光学要素を通過する光の焦点を、上記試験アームの上記光路長と上記基準アームの上記光路長が等しくなる零状態から、所定のオフセットをもって位置づけることによって行うことを特徴とする干渉計。 A partial coherence interferometer of the type employing a measurement beam having a predetermined spectral bandwidth ,
A test arm for sending the test beam portion of the measurement beam along a path encountering the test surface ;
A reference arm for sending a reference beam portion of the measurement beam along a path encountering the reference plane ;
A spectral sensitivity detection system coupled to the test arm and the reference arm;
A focus detection system calibrated with the interferometer,
The test arm saw including a focusing optic for collecting the reflected portion of the test beam from the test surface of the test beam is focused onto the test surface,
The spectral sensitivity detection system monitors interference as a function of wavelength over a range of measurement beam spectral bandwidth as a measure of the unsigned path length difference between the test arm and the reference arm ;
The focus detection system distinguishes between an optical path length difference between the test arm and the reference arm that is significantly greater than zero and an optical path length difference between the test arm and the reference arm that is significantly less than zero. In order to solve the ambiguity associated with the measurement of the unsigned optical path length difference between the test arm and the reference arm ,
The focus detection system includes a focus detection arm that transmits light reflected from the test surface through the focusing optical element to a focus detector;
The focus detection system is calibrated with the interferometer, which calibrates the focus of light passing through the focusing optical element from a zero state where the optical path length of the test arm and the optical path length of the reference arm are equal. An interferometer, characterized by being performed by positioning with a predetermined offset.
上記測定ビームの上記試験ビーム部および上記基準ビーム部を、光源から送るための試験アームおよび基準アームと、焦点検出系とを備え、
上記試験アームは、上記試験ビームを上記試験面上に集束させ、上記試験ビームの上記試験面からの反射部分を集めるための、集束光学要素を含み、
上記焦点検出系は、上記試験面から反射された光を上記集束光学要素を通って焦点検出器に送る焦点検出アームを含み、
上記集束光学要素の焦点が上記試験アームと上記基準アームとの所定の光路長差と関連しており、そのため上記焦点検出系が、上記基準アームの光路長に較べて有意に短い試験アームの光路長と、有意に長い試験アームの光路長とを識別できるようになっており、
上記焦点検出系が、上記試験面から反射された光を上記集束光学要素を通って焦点検出器まで送る焦点検出アームを有し、
上記集束光学要素の上記焦点が、上記試験アームと上記基準アームの上記光路長が等しい零状態からオフセットしていることを特徴とする干渉計。The difference in optical path length when the test beam of the measuring beam having a predetermined spectral bandwidth and the reference beam portion passes through a partial coherence interferometry be measured by monitoring the interference variation over a range of wavelengths of the combined beam There,
A test arm and a reference arm for sending the test beam portion and the reference beam portion of the measurement beam from a light source, and a focus detection system;
The test arm includes a focusing optical element for focusing the test beam on the test surface and collecting a reflected portion of the test beam from the test surface;
The focus detection system includes a focus detection arm that sends light reflected from the test surface through the focusing optical element to a focus detector;
The focal point of the focusing optical element is associated with a predetermined optical path length difference between the test arm and the reference arm, so that the focus detection system is significantly shorter than the optical path length of the reference arm. It is possible to distinguish between the length and the optical path length of a significantly longer test arm,
The focus detection system includes a focus detection arm that transmits light reflected from the test surface through the focusing optical element to a focus detector;
The interferometer, wherein the focal point of the focusing optical element is offset from a zero state in which the optical path lengths of the test arm and the reference arm are equal.
(a)所定のスペクトル帯域幅を有する測定ビームを生成する工程と、
(b)上記測定ビームを試験アームに沿って伝播する試験ビームと、基準アームに沿って伝播する基準ビームとに分離する工程と、
(c)上記試験ビームを、上記試験アームに沿い集束光学要素を通って試験面に至り、上記集束光学要素を通って上記試験面から戻るように方向づける工程と、
(d)上記試験ビームと上記基準ビームとを再結合させる工程と、
(e)上記再結合した試験ビームと基準ビームの波長の範囲にわたる干渉の変化を、上記試験アームと上記基準アームの符号なしの光路長差の測定値としてモニターする工程と、
(f)上記試験面から反射された光を、上記集束光学要素を通って、焦点誤差を測定するための焦点検出器へ送る工程と、
(g)上記試験アームの光路長であって、上記基準アームの上記光路長よりも有意に短いものと、有意に長いものとを、上記測定された焦点誤差に基づいて識別する工程と、
を含み、さらに上記工程(a)〜(g)の前に実行される工程として、
(h)上記集束光学要素の焦点を、上記試験アームと上記基準アームの上記光路長とが等しい零状態からオフセットされた位置に位置づける工程
を含むことを特徴とする方法。A method for resolving measurement ambiguity of partial coherence interferometry based on an unsigned optical path length difference between a test beam and a reference beam,
(A) generating a measurement beam having a predetermined spectral bandwidth;
(B) separating the measurement beam into a test beam propagating along the test arm and a reference beam propagating along the reference arm;
(C) directing the test beam along the test arm through the focusing optical element to the test surface and through the focusing optical element back from the test surface;
(D) recombining the test beam and the reference beam;
(E) monitoring a change in interference over a range of wavelengths of the recombined test beam and reference beam as a measurement of an unsigned optical path length difference between the test arm and the reference arm;
(F) sending the light reflected from the test surface through the focusing optical element to a focus detector for measuring a focus error;
(G) identifying the optical path length of the test arm, which is significantly shorter than the optical path length of the reference arm, and one that is significantly longer based on the measured focus error;
As a step further performed before the steps (a) to (g),
(H) the focus of the focusing optic, a method which comprises the step of positioning at a position offset from the zero state and the optical path length of the test and reference arms are equal.
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